Цифровая обработка сигналов. Моделирование в MATLAB: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 210400 "Телекоммуникации"

Рассматриваются базовые методы и алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) и их компьютерное моделирование с помощью системы MATLAB. Излагаются основные режимы работы системы MATLAB, матричные вычисления, стандартные численные методы и формирование графиков. Подробно рассматривается специфика представления сигналов и систем ЦОС на языке MATLAB, описываются линейные дискретные системы, синтез КИХ- и БИХ-фильтров, адаптивная цифровая фильтрация, квантование, вейвлеты и моделирование этих объектов и процессов ЦОС программными средствами MATLAB, а также ряд графических программ, входящих в пакет расширений MATLAB и предназначенных для решения задач ЦОС с помощью пользовательского графического интерфейса без прямого доступа к программным средствам MATLAB. !-1.pdf !-2.pdf !-s.pdf !-z1.pdf !-z2.pdf !-z3.pdf 0-01.pdf 01.pdf 02.pdf 03.pdf 04.pdf 05.pdf 06.pdf 07.pdf 07-08.pdf 08.pdf 09.pdf 10.pdf 11.pdf 12.pdf 13.pdf 14.pdf 15.pdf 16.pdf 17.pdf 18.pdf 19.pdf 19-20.pdf 20.pdf 21.pdf 22.pdf 99-lit.pdf 99-zind.pdf Unknown Предисловие Список сокращений на русском языке Список сокращений на английском языке Оглавление Оглавление Предисловие Список сокращений на русском языке Список сокращений на английском языке Часть I. Введение в MATLAB Глава 1. Знакомство с системой MATLAB 1.1. Принятые обозначения 1.2. Установка и запуск MATLAB 1.3. Интерфейс MATLAB 1.4. Система помощи MATLAB 1.4.1. Команда help 1.4.2. Пункт меню Help Глава 2. Режим прямых вычислений 2.1. Команды 2.2. Операторы: оператор присваивания 2.3. Константы 2.3.1. Ввод численных констант: функция complex 2.3.2. Вывод численных констант: команда format 2.3.3. Стандартные константы 2.4. Переменные 2.4.1. Ввод матриц 2.4.2. Многомерные массивы 2.5. Функции 2.5.1. Элементарные математические функции 2.5.2. Функции преобразования систем счисления: dec2hex, dec2bin, bin2dec, hex2dec 2.6. Выражения 2.7. Символы и функции операций 2.8. Рабочая область памяти Workspace: команды who, whos, clear 2.9. Сохранение данных на диске: команды save, load 2.10. Создание собственной папки и сохранение пути к ней Глава 3 . Матричная лаборатория 3.1. Элементы матриц и обращение к ним 3.2. Длина вектора и размер матрицы: функции length, size 3.3. Функции генерации типовых матриц 3.4. Формирование векторов и подматриц из матрицы 3.5. Конкатенация подматриц и векторов в матрицы 3.6. Копирование матриц: функция repmat 3.7. Поэлементные операции с матрицами 3.8. Операции с матрицами в задачах линейной алгебры 3.8.1. Арифметические операции с матрицами 3.8.2. Транспонирование и эрмитово сопряжение матриц 3.8.3. Обращение матрицы: функция inv 3.8.4. Матрицы со специальными свойствами симметрии 3.8.5. Матричное деление 3.8.6. Вычисление основных характеристик матрицы: функции det, rank, norm, orth, null, trace, eig, svd, cond, rcond 3.8.7. Разложение матриц: функции lu, qr, chol, linsolve 3.8.8. Разреженные матрицы 3.9. Операции с матрицами в задачах математической статистики: функции max, min, sort, sum, prod, cumsum, diff, mean, std, var, cov, corrcoef Глава 4 . Типы массивов 4.1. Числовые массивы 4.2. Нечисловые массивы 4.2.1. Массивы символов: функции char, double, num2str, deblank 4.2.2. Массивы записей (структуры): функция rmfield 4.2.3. Массивы ячеек: функции cellplot, celldisp 4.3. Определение типа данных: функция class Глава 5 . Графика 5.1. Двумерная графика: команды figure, hold on, hold off; функция subplot 5.2. Оформление графиков: команда grid, функции title, xlabel, ylabel, gtext, legend, xlim, ylim 5.3. Двумерные графики: функции plot, loglog, semilogx, semilogy, logspace, fplot 5.4. Управление свойствами графиков 5.5. Специальные двумерные графики: функции stem, stairs, polar, compass, bar, pie, hist 5.6. Трехмерная графика 5.7. Формирование сетки на плоскости XOY: функция meshgrid 5.8. Трехмерные графики: функции plot3, mesh, meshc, meshz, surf, surfl, surfc, contour3 5.9. Управление свойствами трехмерных графиков: функция colormap; команды shading interp, colorbar Глава 6 . Численные методы решения типовых задач 6.1. Операции с многочленами 6.1.1. Умножение и деление многочленов: функции conv, deconv 6.1.2. Корни многочлена: функции roots, poly 6.1.3. Вычисление значений и производной многочлена: функции polyval, polyder 6.1.4. Представление дробно-рациональной функции в виде суммы простых дробей: функция residue 6.2. Корни уравнения: функция fzero 6.3. Аппроксимация и интерполяция 6.3.1. Аппроксимация многочленом n-го порядка: функция polyfit 6.3.2. Интерполяция функций одной и двух переменных: функции interp1, interp2, griddata 6.4. Минимизация функций: функции fminbnd, fminsearch 6.5. Численное интегрирование: функции trapz, cumtrapz, quad, quad1, dblquad 6.6. Численное интегрирование обыкновенных дифференциальных уравнений 6.6.1. Краткая справка 6.6.2. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений методами численного интегрирования: функция ode Глава 7 . Режим программирования 7.1. Программы пользователя — M-файлы 7.2. Структура function-файлов: функции nargin, nargout; команды type, global; оператор return 7.3. Структура script-файлов: команды echo on, echo off 7.4. Разработка программ в MATLAB 7.4.1. Ввод/вывод данных: функции input, menu, disp, num2str, sprintf 7.4.2. Пауза, сообщение об ошибке, предупреждение и выход в режим прямых вычислений: команда pause; функции error, warning; оператор keyboard 7.4.3. Организация разветвлений: операторы if, switch 7.4.4. Организация циклов: операторы for, while, break 7.5. Работа с M-файлами 7.5.1. Создание, редактирование и сохранение M-файлов 7.5.2. Запуск программы и принудительное снятие с выполнения 7.5.3. Режим отладки программы Часть II. Моделирование ЦОС программными средствами MATLAB Глава 8 . Дискретные сигналы 8.1. Представление последовательностей 8.1.1. Типовые последовательности 8.1.2. Операции с последовательностями: функции sum, prod, conv, seqperiod; внешняя функция shift 8.1.3. Функции генерации сигналов: rectpuls, tripuls, gauspuls, sinc, square, sawtooth, diric 8.2. Случайные последовательности: функции rand, randn, xcorr, xcov Глава 9 . Линейные дискретные системы 9.1. Моделирование линейных дискретных систем во временной области 9.1.1. Соотношение вход/выход в виде формулы свертки: функция conv; внешние функции iir_1, iir_2, input_1, input_2, imp_1, imp_2 9.1.2. Соотношение вход/выход в виде разностного уравнения: функция filter 9.1.3. Импульсная характеристика: расчет по разностному уравнению 9.1.4. Импульсная характеристика: функция impz 9.1.5. Импульсная характеристика БИХ-систем: функция deconv 9.1.6. Переходная характеристика: функция stepz 9.1.7. Соотношение вход/выход в виде системы уравнений переменных состояний: функции tf2ss, ss2tf 9.2. Моделирование линейных дискретных систем в z-области 9.2.1. Нули и полюсы передаточной функции: функции tf2zpk, zp2tf; внешняя функция zero_pole 9.2.2. Карта нулей и полюсов: функция zplane 9.2.3. Передаточная функция в виде произведения множителей второго порядка: функции tf2sos, zp2sos, sos2tf, sos2zp 9.2.4. Передаточная функция в виде суммы простых дробей: функция residuez 9.3. Моделирование линейных дискретных систем в частотной области 9.3.1. Частотная характеристика: функция freqz 9.3.2. АЧХ и ФЧХ: функции abs, angle, dbode; внешняя функция mag_phase 9.3.3. Групповое время задержки: функция grpdelay Глава 10 . Структуры линейных дискретных систем 10.1. Разновидности структур КИХ- и БИХ-систем 10.2. Описание структур КИХ- и БИХ-систем в виде объектов dfilt 10.3. Функции MATLAB для объектов dfilt 10.4. Расстановка звеньев и масштабирование в объектах dfilt: функции sos, scale Глава 11 . Дискретное преобразование Фурье 11.1. Вычисление ДПФ: функции fft, ifft, fftshift; внешние функции fft_e1, fft_e2 11.2. Вычисление свертки с помощью ДПФ: функция fftfilf; внешняя функция iir_iir 11.3. Вычисление свертки с секционированием: функция fftfilt Глава 12 . Обработка случайных сигналов линейными дискретными системами 12.1. Формирование случайных сигналов с заданным законом распределения вероятностей 12.2. Формирование случайных сигналов с заданной корреляционной функцией 12.3. Непараметрические методы спектрального анализа: функции wvtool, psd 12.3.1. Периодограмма: функция periodogram для объекта spectrum 12.3.2. Метод Уэлча: функция pwelch 12.4. Линейное предсказание: функция lpc 12.5. Параметрические методы спектрального анализа: функции pcov, arcov, pmcov, armcov, pburg, arburg, pyulear, aryule Глава 13 . Синтез КИХ-фильтров 13.1. Цифровые фильтры 13.2. Свойства КИХ-фильтров 13.3. Задание требований к частотным характеристикам КИХ-фильтров 13.4. Синтез КИХ-фильтров методом окон: функции fir1, kaiserord; внешние функции check_low, check_high, check_pass, check_stop, plot_fir 13.5. Синтез КИХ-фильтров методом наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации: функции firpm, firpmord, firgr; внешняя функция MAG_fir 13.6. Цифровой преобразователь Гильберта 13.7. Цифровой дифференциатор 13.8. Приведенная структура КИХ-фильтра: описание в виде объекта dfilt 13.9. Анализ характеристик цифрового фильтра: функция fvtool Глава 14 . Синтез БИХ-фильтров 14.1. Свойства БИХ-фильтров 14.2. Задание требований к частотным характеристикам БИХ-фильтров и процедура синтеза 14.3. Синтез аналоговых фильтров: функции butter, cheby1, cheby2, ellip, buttord, cheb1ord, cheb2ord, ellipord, freqs 14.4. Синтез БИХ-фильтров методом инвариантности импульсной характеристики: функции impinvar, impulse 14.5. Синтез БИХ-фильтров методом билинейного Z-преобразования: функции bilinear, butter, cheby1, cheby2, ellip, buttord, cheb1ord, cheb2ord, ellipord 14.6. Структура БИХ-фильтра: описание в виде объекта dfilt 14.7. Описание требований к АЧХ КИХ- и БИХ-фильтров в виде объектов fdesign 14.8. Синтез КИХ- и БИХ-фильтров в виде объектов dfilt на основе объектов fdesign Глава 15 . Адаптивная цифровая фильтрация 15.1. Применение принципов адаптации в системах ЦОС 15.2. Адаптивный алгоритм LMS: функции lms и nlms для объектов adaptfilt 15.3. Адаптивный алгоритм RLS: функция rls для объекта adaptfilt Глава 16 . Квантование в системах ЦОС с фиксированной точкой 16.1. Эффекты квантования в структуре цифрового фильтра 16.1.1. Шумы квантования: аналитические оценки 16.1.2. Динамический диапазон и отношение сигнал/шум 16.1.3. Расстановка звеньев в каскадных структурах БИХ-фильтров 16.1.4. Ошибки переполнения. Масштабирование в каскадных структурах БИХ-фильтров 16.1.5. Ошибки квантования коэффициентов 16.1.6. Предельные циклы 16.1.7. Нормирование исходных данных 16.2. Моделирование структуры цифрового фильтра с фиксированной точкой 16.2.1. Структура цифрового фильтра как объект dfilt 16.2.2. Исходный КИХ-фильтр 16.2.3. Исходный БИХ-фильтр 16.2.4. Структура цифрового фильтра с фиксированной точкой как объект dfilt 16.2.5. КИХ-фильтр с ФТ 16.2.6. Расстановка звеньев и масштабирование в исходном БИХ-фильтре с каскадной структурой 16.2.7. БИХ-фильтр с ФТ 16.2.8. Свойства КИХ- и БИХ-фильтров с ФТ 16.2.9. Дополнительные функции MATLAB для объектов dfilt с ФТ 16.3. Анализ характеристик КИХ- и БИХ-фильтров с ФТ 16.3.1. Квантование коэффициентов в КИХ-фильтрах с ФТ 16.3.2. Квантование коэффициентов в БИХ-фильтрах с ФТ 16.3.3. Анализ характеристик КИХ- и БИХ-фильтров с ФТ: функция fvtool 16.4. Моделирование квантования в АЦП 16.4.1. Моделирование квантования на основе объекта quantizer: функция quantize 16.4.2. Моделирование квантования на основе объекта fi 16.5. Вычисление реакции КИХи БИХ-фильтров с ФТ: функция filter 16.5.1. Формирование воздействия с ФТ 16.5.2. Реакция КИХ-фильтров с ФТ 16.5.3. Реакция БИХ-фильтров с ФТ 16.5.4. Анализ предельных циклов в БИХ-фильтрах с ФТ: внешняя функция limit Глава 17 . Многоскоростные системы ЦОС 17.1. Однократные системы интерполяции 17.2. Моделирование однократной интерполяции в MATLAB: функции interp, upfirdn 17.3. Однократные системы децимации 17.4. Моделирование однократной децимации в MATLAB: функции decimate, upfirdn 17.5. Системы однократной передискретизации 17.6. Моделирование однократной передискретизации в MATLAB: функции resample, upfirdn 17.7. Описание полифазной структуры систем интерполяции и децимации в виде объектов mfilt 17.7.1. Описание полифазной структуры системы однократной интерполяции в виде объекта mfilt 17.7.2. Описание полифазной структуры системы однократной децимации в виде объекта mfilt 17.7.3. Описание полифазной структуры системы однократной передискретизации в виде объекта mfilt Глава 18 . Вейвлет-обработка сигналов 18.1. Основные понятия вейвлет-анализа 18.2. Вейвлеты в системе MATLAB: функции wavemngr, waveinfo, wavefun, centfrq 18.3. Непрерывное вейвлет-преобразование: функция cwt 18.4. Масштабирующие фильтры: функции dbwavf, symwavf, coifwavf, biorwavf, rbiowavf 18.5. Фильтры разложения и восстановления: функции orthfilt, wfilters, qmf, dwt, iwdt 18.6. Многоуровневый вейвлет-анализ: функции wavedec, waverec, appcoef, detcoef, swt, iswt 18.7. Вейвлет-пакеты: функции wpdec, wpcoef, wprec, wentropy, besttree Глава 19 . Взаимодействие с внешними источниками сигналов 19.1. Форматы данных, совместимые со средствами анализа сигналов в MATLAB 19.2. Использование готовых сигналов: функция wnoise 19.3. Импорт внешних файлов: функция wavread 19.4. Воспроизведение звука: функции sound, soundsc, wavplay 19.5. Запись звуковых файлов: функции wavrecord, wavwrite Часть III. Моделирование ЦОС средствами GUI Глава 20 . Проектирование цифровых фильтров средствами GUI FDATool 20.1. Синтез цифровых фильтров 20.2. Входные параметры цифровых фильтров 20.2.1. Проверка выполнения требований к АЧХ КИХ-фильтров 20.2.2. Входные параметры при синтезе КИХ-фильтров методом окон 20.2.3. Входные параметры при синтезе КИХфильтров методом наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации 20.2.4. Входные параметры БИХ-фильтров при синтезе методом билинейного Z-преобразования 20.3. Примеры синтеза цифровых фильтров 20.4. Выбор структуры цифрового фильтра 20.5. Анализ цифровых фильтров 20.6. Синтез цифровых преобразователей Гильберта 20.7. Синтез цифровых дифференциаторов 20.8. Сохранение цифровых фильтров на время сеанса в GUI FDATool 20.9. Экспорт цифровых фильтров как объектов dfilt 20.10. Импорт цифровых фильтров как объектов dfilt 20.11. Моделирование структуры цифровых фильтров с фиксированной точкой Глава 21 . Моделирование цифровой фильтрации средствами GUI SPTool 21.1. Синтез цифровых фильтров 21.2. Входные параметры цифровых фильтров 21.2.1. Проверка выполнения требований к АЧХ КИХ-фильтров 21.2.2. Входные параметры при синтезе КИХ-фильтров методом окон 21.2.3. Входные параметры при синтезе КИХ-фильтров методом наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации 21.2.4. Входные параметры БИХ-фильтров при синтезе методом билинейного Z-преобразования 21.3. Примеры синтеза цифровых фильтров 21.4. Анализ цифровых фильтров 21.5. Импорт входного сигнала 21.6. Моделирование цифровой фильтрации 21.7. Анализ сигналов во временной области 21.8. Анализ сигналов в частотной области 21.9. Экспорт данных из GUI SPTool 21.10. Выход из GUI SPTool Глава 22 . Моделирование вейвлет-преобразований средствами GUI пакета Wavelet Toolbox 22.1. Просмотр вейвлетов 22.2. Одномерный дискретный вейвлет-анализ 22.2.1. Сжатие сигналов 22.2.2. Удаление шумов 22.3. Одномерный пакетный вейвлет-анализ 22.4. Вещественный и комплексный одномерный непрерывный вейвлет-анализ 22.5. Удаление шума из стационарного случайного одномерного сигнала 22.6. Оценка плотности распределения 22.7. Оценка регрессии 22.8. Отбор вейвлет-коэффициентов Список литературы Предметный указатель